張國強(qiáng)

（華晉焦煤有限責(zé)任公司王家?guī)X選煤廠，山西 運(yùn)城 043300）

基于PLC的選煤廠自動監(jiān)控系統(tǒng)

張國強(qiáng)

（華晉焦煤有限責(zé)任公司王家?guī)X選煤廠，山西 運(yùn)城 043300）

以王家?guī)X選煤廠設(shè)備為研究對象，介紹施耐德Quantum系列PLC結(jié)合上位機(jī)軟件構(gòu)成的洗煤廠監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了控制的結(jié)構(gòu)和控制方式，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠性高、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，是一套值得推廣應(yīng)用的選煤廠自動化系統(tǒng)。

PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；選煤廠；組態(tài)

近幾年來，隨著我國洗煤行業(yè)的技術(shù)改造，選煤廠的生產(chǎn)自動化程度越來越高，自動監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。新建的王家?guī)X選煤廠遵循高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)代化、高效率的指導(dǎo)思想設(shè)計(jì)。對于設(shè)計(jì)能力為600萬t/a的王家?guī)X煉焦型選煤廠來說，必須要求整個選煤廠的自動監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的自動化程度和高可靠性。要求監(jiān)控系統(tǒng)須能準(zhǔn)確地監(jiān)視現(xiàn)場工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時迅速地控制生產(chǎn)過程，還要求上位機(jī)具有強(qiáng)大的實(shí)用功能和友好的交互界面，可在簡單操作的基礎(chǔ)上優(yōu)化生產(chǎn)過程，以提高企業(yè)的生產(chǎn)管理水平、充分利用有效資源、提高生產(chǎn)效率，提高用戶收益。

1 選煤廠監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)設(shè)備的工藝布置及工藝流程特點(diǎn)，王家?guī)X選煤廠監(jiān)制系統(tǒng)分為八個子系統(tǒng)：原煤倉上子系統(tǒng)、原煤倉下子系統(tǒng)、原煤準(zhǔn)備子系統(tǒng)、尾煤壓濾子系統(tǒng)、主選子系統(tǒng)、濃縮子系統(tǒng)、產(chǎn)品倉上子系統(tǒng)、產(chǎn)品倉下子系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用模塊化的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；整個PLC監(jiān)制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自上而下共分為三個層次：管理層、控制層、設(shè)備層；各層之間結(jié)構(gòu)清晰，易于組網(wǎng)、系統(tǒng)集成、維護(hù)修理，是現(xiàn)在大型工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)。管理層由3臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)配置上位機(jī)軟件組成；控制層由施耐德Quantum系列PLC及其I/O模塊組成；設(shè)備層由傳感器、電機(jī)、電/氣動閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成?？刂茖邮钦麄€系統(tǒng)的核心，采用主從站方式的工業(yè)現(xiàn)場總線分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)有1個主站和9個分站，其中7個分站全用施奈德的RIO總線與主站通訊。根據(jù)工藝和實(shí)際要求；原煤倉上分站各為獨(dú)立系統(tǒng)，不與本系統(tǒng)的主站通訊，原煤倉上分站采用西門子PLC系列硬件自成系統(tǒng)，通過Profibus總線納入到礦井的控制系統(tǒng)中；產(chǎn)品倉下分站采用AB PLC系列硬件自成系統(tǒng)，通過ControNet總線納入到裝車站控制系統(tǒng)中。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 王家?guī)X選煤廠PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 管理層

管理層用來實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息化管理，實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表打印等。

1）管理層的硬件配置：采用各自配有24吋液晶顯示器的3臺高可靠性研華工業(yè)型計(jì)算機(jī)，每臺各有10/100M以太網(wǎng)卡，結(jié)合以太網(wǎng)交換機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊連接；3臺工控機(jī)各有A4激光打印機(jī)。另外配置兩臺聯(lián)想揚(yáng)天AV8000計(jì)算機(jī)作為輔助辦公管理設(shè)備，專門用于文檔管理。管理層上位機(jī)的電源按照雙回路設(shè)計(jì)，每個回路電源的來源相對獨(dú)立。由一臺UPS供電，它在滿負(fù)荷時可以提供停電后兩小時的供電時間，更加保證系統(tǒng)的可靠性。

2）管理層的軟件系統(tǒng)：上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用GE公司iFix v4.5平臺，它是一套可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)過程可視化、具有過程監(jiān)控功能的高性能的工業(yè)自動化平臺，是結(jié)合下位機(jī)對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過程控制的專用軟件，最大特點(diǎn)是靈活多樣的“組態(tài)方式”（而不是編程方式）進(jìn)行系統(tǒng)集成，并提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)的各軟件模塊進(jìn)行簡單“組態(tài)”，便可很容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控的各項(xiàng)功能，縮短了自動化工程師進(jìn)行系統(tǒng)集成的時間，大大提高了系統(tǒng)集成效率。它與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，便可達(dá)到集中管理和監(jiān)控的目的，該軟件還提供了方便的軟、硬件接口，用來與“第三方”的軟、硬件系統(tǒng)進(jìn)行集成。

上位機(jī)中的應(yīng)用程序是在iFix v4.5平臺上自行二次開發(fā)的系統(tǒng)組態(tài)及控制程序，通過該程序，系統(tǒng)可很好地與下位機(jī)進(jìn)行通訊，能對現(xiàn)場各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)實(shí)時地監(jiān)視，并可對其啟?？刂?；同時，還對現(xiàn)場的各種工況數(shù)據(jù)（包括壓力、液位、灰分、溫度、密度、帶煤量的累積值等模擬量數(shù)據(jù)）進(jìn)行動態(tài)實(shí)時顯示。該組態(tài)程序還集成了系統(tǒng)動態(tài)可視化的生產(chǎn)工藝流程；還有實(shí)時報(bào)表、歷史報(bào)表、趨勢曲線、報(bào)警記錄等功能，并對各工藝參數(shù)進(jìn)行制表、打印，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程科學(xué)管理的目的。

該系統(tǒng)支持全面的報(bào)警監(jiān)測管理工具，當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時，可為操作員提供及時的、正確的報(bào)警提示（包括閃光報(bào)警和語音報(bào)警）。每一個點(diǎn)都可被分配以一個報(bào)警優(yōu)先級，報(bào)警可被自動記錄，并在操作員畫面上的專用報(bào)警欄和報(bào)警總貌畫面中顯示。

1.3 控制層

控制層是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，一般用來完成實(shí)時數(shù)據(jù)的采集、儲存、計(jì)算和回路控制、邏輯控制等。控制層在整個監(jiān)控系統(tǒng)中完成所有實(shí)時數(shù)據(jù)的采集和控制任務(wù)，主要是由PLC實(shí)現(xiàn)，并通過網(wǎng)絡(luò)向管理層的計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)，還與設(shè)備層的各類儀表或執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行通訊?？刂茖右笥懈叩目煽啃浴⒏叩倪\(yùn)算速度及數(shù)據(jù)處理速度，是技術(shù)最復(fù)雜的一部分。本系統(tǒng)的控制層設(shè)備，采用施耐德Quantum系列PLC為主要控制器，全系統(tǒng)構(gòu)成PLC分布式系統(tǒng)。系統(tǒng)主站設(shè)在主廠房電氣樓三層的集中控制室，通過遠(yuǎn)程I/O處理器連接相關(guān)的遠(yuǎn)程I/O分站，主站與分站之間采用光纖連接，支持較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸、具有更好的抗干擾性，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。

1）控制層的硬件配置：選用施奈德140系列PLC模塊集成為控制層的硬件系統(tǒng)，其核心處理器-CPU模塊為140 CPU65160，具有1個Modbus（RS-232/RS-485）、1個Modbus Plus（RS-485）、1個USB、1個以太網(wǎng)接口，并有2 M容量的RAM存儲器，時鐘速度達(dá)266MHz。與之配套的I/O模塊配置如下：數(shù)字量輸入模塊為140DAI75300，配電電壓為AC220V，輸入點(diǎn)數(shù)為32（4組x8點(diǎn)）單獨(dú)隔離。數(shù)字量輸出模塊為140DRA84000，輸出點(diǎn)數(shù)為16路輸出（常開）繼電器型，該模塊可直接驅(qū)動直流繼電器線圈，利用繼電器與外部電路進(jìn)行信號隔離，從而減少外部故障波及到模塊內(nèi)部，提高了模塊通道的使用壽命，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。模擬量輸入模塊為140ACI04000，輸入信號為4 mA～20mA，16個通道輸入。模擬量輸出模塊型號為140ACO13000，輸出信號為4mA～20mA，8通道輸出。

該系統(tǒng)的硬件配置中，還有很重要的部件：對現(xiàn)場功率大于55 kW的電機(jī)，都添加了施奈德Tesys T系列電機(jī)綜合保護(hù)器，它使現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性得到了進(jìn)一步提高。TeSysT是施耐德電氣推出的真正的“智能化設(shè)備”，以其強(qiáng)大的功能、卓越的品質(zhì)，能對電機(jī)起動進(jìn)行集中、優(yōu)化、高效的控制，對電機(jī)可以進(jìn)行熱過載、過/欠電流、起動時間過長/堵轉(zhuǎn)、接地故障、以及電壓、功率、功率因數(shù)等全方位的保護(hù)，有效地減少非正常停機(jī)時間，為饋電和過程控制系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視操作、服務(wù)、診斷等功能，不僅提升系統(tǒng)的可用性，也可提升維護(hù)的方便性。

TeSys T通過profibus通訊協(xié)議接入到主站的profibus通訊模塊（PTQ-PDPMV1），該模塊作為一個網(wǎng)關(guān)在profibus 網(wǎng)絡(luò)和Unity 或Quantum處理器間交換數(shù)據(jù)，通過這個模塊可以把電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)上傳到PLC主站，進(jìn)行上傳至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

2）控制層的軟件系統(tǒng)

采用施奈德Unity Pro V4.0 XL集成開發(fā)環(huán)境，該軟件可用于施耐德電氣的Premium，Atrium，M340和Quantum PLC硬件平臺，對用戶的開放程度很高，并對企業(yè)中不同軟件的協(xié)同能力更好。作為下位機(jī)硬件組態(tài)和軟件編程的開發(fā)工具，在系統(tǒng)試驗(yàn)階段也可作為系統(tǒng)各模塊在線監(jiān)控與測試的工具，并可用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)后期的在線調(diào)試和系統(tǒng)維護(hù)時的故障定位檢測。

1.4 設(shè)備層

1）設(shè)備層是數(shù)據(jù)的直接提供和接受單元。設(shè)備層的設(shè)備包括：各類傳感器、差壓變送器、電/氣動調(diào)節(jié)閥、以及其他諸如變頻器等輔助設(shè)備。

2）現(xiàn)場的模擬量數(shù)據(jù)通過傳感器直接測量后，經(jīng)過傳感器本身的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號，接入到系統(tǒng)的模擬量輸入模塊通道，通過程序運(yùn)算與轉(zhuǎn)換，以工程量的形式顯示在上位機(jī)顯示器上，供用戶使用。

3）系統(tǒng)中所使用的變頻器全用施奈德公司ATV71系列，特別適用于工礦企業(yè)等惡劣使用環(huán)境下的電機(jī)驅(qū)動，采用V/F控制方式，過載保護(hù)功能強(qiáng)，性能可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有優(yōu)良的性能價格比。使用變頻器可對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行無級調(diào)速，有效控制過程控制量。電/氣動調(diào)節(jié)閥也是現(xiàn)場使用較多的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過PLC模擬量輸出，可進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，以滿足工藝要求的調(diào)節(jié)量。

2 系統(tǒng)控制功能及原理

2.1 信號輸入輸出與模擬量測量

系統(tǒng)對現(xiàn)場所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)幾乎都要實(shí)時檢測，根據(jù)系統(tǒng)程序?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行了控制輸出，并對現(xiàn)場所有的模擬量進(jìn)行了實(shí)時、準(zhǔn)確測量。系統(tǒng)所檢測的輸入狀態(tài)量有：各設(shè)備的上電、運(yùn)行、故障、遠(yuǎn)控/就地等配電信號，以及變頻器運(yùn)行/故障信號、皮帶的各類保護(hù)信號；輸出狀態(tài)量有：設(shè)備的起動控制、氣動調(diào)節(jié)閥的開/關(guān)控制、變頻器的啟停、系統(tǒng)起動預(yù)警、皮帶機(jī)和刮板機(jī)的起車預(yù)警等。模擬量輸入有：原煤倉/產(chǎn)品倉料位、主廠房料桶的液位，帶式輸送機(jī)的輸送煤量，帶式輸送機(jī)上灰份含量，重介懸浮液密度，重介系統(tǒng)旋流器入料壓力，浮選入料管路、清水入廠管路、TBS總水管上的流量，高壓配電柜電功，低壓配電柜的電壓、電流、有功等參數(shù)。

2.2 順序控制功能

全廠設(shè)備將以三種模式運(yùn)行：順序控制、單機(jī)集中控制、單機(jī)就地控制。當(dāng)用順序控制模式時，所有設(shè)備的啟停由計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)工藝順序、聯(lián)鎖邏輯關(guān)系、設(shè)備特性統(tǒng)一安排，自動完成起停車。當(dāng)用單機(jī)集中控制模式時，設(shè)備由操作員在操作員站上進(jìn)行手動啟停。當(dāng)設(shè)備需要維護(hù)檢修時，可轉(zhuǎn)為單機(jī)就地控制模式，此模式只用于設(shè)備檢修，設(shè)備之間無聯(lián)鎖要求。以順序控制、單機(jī)集中控制模式進(jìn)行控制時，控制系統(tǒng)提供設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)。無論在哪種操作模式下，設(shè)備的起動都是由PLC控制輸出的。設(shè)備的起車過程，原則上按逆煤流方向進(jìn)行；停車過程，按照順煤流方向進(jìn)行；凡因存料可能造成設(shè)備跑料、跑水使車間環(huán)境惡化的設(shè)備，除本臺設(shè)備故障可立即停車外，凡其它設(shè)備故障引起設(shè)備間閉鎖停車時，則上述設(shè)備不立即停車，而按一定延時停車。

2.3 PID自動調(diào)節(jié)功能

監(jiān)控系統(tǒng)通過PLC程序可以為PID回路提供最為穩(wěn)定的控制。過程變量的波動被控制在小于設(shè)定值0.5%的范圍內(nèi)。所有回路的PID調(diào)節(jié)控制分自動和手動兩種模式，可隨時切換。

本系統(tǒng)中涉及到主要PID回路控制如下：

1）比重自動控制：全廠有4套比重自動控制系統(tǒng)，在合格介質(zhì)泵出口安裝密度計(jì)，檢測合格介質(zhì)密度，輸入PLC的PID控制模塊，與設(shè)定密度值比較，其差值轉(zhuǎn)換為電信號反饋給合格介質(zhì)泵入口加水閥（氣自動蝶閥）信號接收端，調(diào)節(jié)加清水量，達(dá)到控制合格介質(zhì)泵出口介質(zhì)密度的穩(wěn)定。

2）桶位自動控制：對重介和粗煤泥系統(tǒng)的合格介質(zhì)桶、稀介桶、煤泥水桶等都進(jìn)行了PID閉環(huán)控制，系統(tǒng)采用壓力變送器測量桶底部壓力，轉(zhuǎn)換為桶位信號輸入PLC的PID控制模塊，與設(shè)定液位值比較，其差值轉(zhuǎn)換為電信號反饋給桶上部的加水閥或分水閥信號接收端，調(diào)節(jié)加清水量或分流量，達(dá)到控制各桶位的穩(wěn)定。

3）旋流器入料壓力自動控制：系統(tǒng)還對重介旋流器、分級旋流器的入料壓力進(jìn)行了PID調(diào)節(jié)，采用壓力變送器測量旋流器的入料壓力，與設(shè)定壓力值比較，其差值轉(zhuǎn)換為電信號反饋給入料泵變頻器的信號接收端，調(diào)節(jié)泵的運(yùn)行頻率即入料量，達(dá)到控制壓力的穩(wěn)定。

2.4 保護(hù)和故障報(bào)警

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，設(shè)置了如下保護(hù)措施：55 kW以上的高、低壓電動機(jī)設(shè)電流監(jiān)視保護(hù)，185kW及以上高低壓電動機(jī)設(shè)電機(jī)定子以及軸承溫度保護(hù)。所有帶式輸送機(jī)設(shè)置機(jī)頭堵料保護(hù)、兩級跑偏開關(guān)、拉繩開關(guān)、低速打滑保護(hù)裝置。長度超過100 m的帶式輸送機(jī)設(shè)防縱撕保護(hù)和煙霧保護(hù)，并進(jìn)入集控系統(tǒng)PLC監(jiān)測控制。所有刮板輸送機(jī)均設(shè)有欠速保護(hù)。對變壓器設(shè)瓦斯、溫度保護(hù)。所有料倉均設(shè)有倉滿報(bào)警裝置。

該系統(tǒng)還具有故障自診斷功能，當(dāng)被控對象中的工藝參數(shù)(包括開關(guān)量和模擬量)或設(shè)備發(fā)生異常時，系統(tǒng)將通過指示燈和聲音進(jìn)行報(bào)警，在上位機(jī)報(bào)警記錄中還記錄故障發(fā)生的時間、來源、恢復(fù)時間等詳細(xì)報(bào)警信息，用以提示和提醒操作人員進(jìn)行及時處理。

3 結(jié)束語

上述的設(shè)計(jì)提高了選煤廠各車間的自動化程度，降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力，使生產(chǎn)操作過程在可視化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時采集和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確監(jiān)控。該系統(tǒng)優(yōu)化了生產(chǎn)過程，方便了生產(chǎn)管理，提高了生產(chǎn)管理水平，提高了經(jīng)濟(jì)效益，是一套非常值得推廣的選煤廠自動監(jiān)控系統(tǒng)。

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PLC Automatic Control System in Coal Preparation Plant

ZHANG Guo-qiang
(Wangjialing Coal Preparation Plant,Huajin Coking Coal Co.,Yuncheng Shanxi 043300)

The paper takes the equipments of Wangjialing Coal Preparation Plant as research subjects,introduces its control system composed by PLC upper computer software of Schneider Quantum Series,and presents the control structure and modes.With its stable structure,high reliability and flexible utilization,the system is worth application and popularization.

PLC;control system;coal preparation plant;configuration

TD928.9

A

1672-5050（2010）10-0066-04

2010-08-12

張國強(qiáng)（1964—），男，山西交城人，本科，工程師，從事選煤廠機(jī)電管理工作。

劉新光